Sandia National Laboratories har skapat den första inversdesignprogramvaran för optiska metamaterial-vilket innebär att användare börjar med att beskriva resultatet de vill ha, och mjukvaran fyller i stegen för att komma dit. Den moderna designmetoden tar gissningar ur ingenjörstekniska ännu teoretiska tekniker som ultrakompakt, högpresterande kameror och dolda rustningar som kan göra bärare osynliga för upptäckt.

Sandia använder designhjälpen, kallad Mirage, i sina forsknings- och utvecklingsprogram och släppte en testversion för att välja samarbetspartners förra året. Nu, forskare som arbetar med statliga metamaterialprojekt kan begära en licens utan kostnad.

Konstgjord, optiska metamaterial har prytts i mer än ett decennium för deras förmåga att manipulera ljus på extraordinära sätt. I teorin, satellitbilder och interstellära teleskop kan vara dramatiskt mindre med metamateriallinser hundra gånger tunnare än konventionella. Eller, tekniken kan någon gång leda till att tillslagen material avböjer ljus runt dem, gör objekt omöjliga att se.

Mirage förenklar och automatiserar designprocessen för material som skulle vara nödvändiga för den tekniken.

Mirage tar gissningar ur design

Fältet med optiska metamaterial har hittills kämpat för att uppfylla alla sina upplevda löften om att revolutionera optiken. En svårighet för ingenjörer har varit att metamaterial är gjorda av små byggstenar, kallas meta-atomer, som kan utformas i otaliga variationer. En viss form, kollektivt, kan böja ljus. Ändra den formen, storleken, avståndet eller materialet och som kan förstärka effekten eller minska den eller få något helt annat att hända, som att vrida ljuset i en eller annan riktning eller ändra dess intensitet eller färg.

"Att förutspå vad de" homogeniserade "egenskaperna kommer att vara har varit mycket svårt att avgöra tills nu, "sa Mike Fiddy, en programchef i Defense Advanced Research Projects Agency, eller DARPA, som finansierade programvarans utveckling.

Annan programvara kan simulera vad metatomer kommer att göra för att tända, men det gör det bara möjligt för forskare att använda intuition för att experimentera med olika mönster tills de snubblar på eller tröttsamt löser det beteende de vill ha.

Trots utmaningen, vissa forskare har lyckats skapa fantasifulla metamaterialenheter. Sandia uppfann en enhet som omvandlar värme till el, potentiellt för mer bränsleeffektiva motorer, och en ljusblandningsteknik som kan leda till en ny, föränderlig, mångfärgad ljuskälla, som kan påskynda all slags forskning från arkeologi till biomedicin.

Men på det stora hela, sa Sandia-forskaren Ihab El-Kady, metamaterialföretaget har behövt ett uppsving.

"Vi kan omöjligt lösa detta problem genom försök och fel, "sa El-Kady, som tänkt Mirage. "Istället, vi skulle kunna göra tvärtom. Vi kan säga:'Här är det beteende jag vill ha. Berätta nu hur metamaterialet ser ut. '"

Inget verktyg använde detta invers-design-tillvägagångssätt. Så, El-Kady och hans team på Sandias National Security Photonics Center byggde en.

Användarvänliga instruktioner för att utnyttja 100-plus-mallar

Mirage låter användarna börja med att berätta den optiska egenskapen de vill ha - hur deras metamaterial behöver interagera med ljus - och deras utgångsmaterial. Mirage genererar mönster som matchar dessa kriterier från ett bibliotek med mer än 100 mallar. Eller, användare kan rita sina egna mönster, och programmet kommer att kontrollera dem för fel.

"Ett mer systematiskt tillvägagångssätt för att designa metamaterial bör i hög grad påskynda deras antagande inom olika tillämpningsområden, "eliminera mer vanligt förekommande, intuitionsbaserade tillvägagångssätt, Sa Fiddy.

DARPA presenterade Mirage som en ledande teknik på byråns 60 -årsjubileum i Fort Washington, Maryland, visar upp sina långtgående användningsområden.

"Mirage är ett allt-i-ett-verktyg, "Sa El-Kady." Det berättar inte bara hur metamaterialet ser ut, det låter dig utforska olika konfigurationer, simulera systemet, validera det valda beteendet, visualisera sitt svar och optimera dess funktionalitet inom dina tillverkningsbegränsningar. "

Programvara förfinar kraftfulla idéer

Dessutom, sa Sandia seniorvetare Igal Brener, som använder programvaran i sin metamaterialforskning, Mirage är användbart eftersom det innehåller algoritmer som hjälper forskare att få bästa prestanda från sina uppfinningar.

Breners team skapade tidigare ett material som kan blanda två lasrar för att producera 11 färger samtidigt, inklusive infrarött och ultraviolett ljus. Potentiellt, denna teknik kan utvecklas till avstämbara lasrar som ersätter enfärgade lasrar.

Men några av dessa färger är för svaga för att vara användbara, så han utforskar sätt att lysa ut produktionen. Andra mjukvarupaket som Brener har använt inkluderar enkla optimeringsalgoritmer. Dock, för att använda mer avancerade algoritmer måste han komplettera dessa paket med sin egen kodning. Inte så med Mirage.

"Optimeringstekniker finns i många olika smaker, "sa han." Mirage är det enda mjukvarupaket jag känner till som har de komplexa optimeringstekniker som jag behöver inbyggd. "

Om den första lanseringen lyckas, Sandia planerar att utveckla en andra version av Mirage, preliminärt kallad Mirage Elite, som skulle införa en kraftig förbättring av optimeringen genom att automatiskt omforma metatomer till bisarra och besynnerliga former i jakten på oupptäckta beteenden.